Системы регулирования непрерывного действия и законы регулирования

В системах автоматического регулирования непрерывного действия применяют регуляторы, у которых при получении сигнала об отклонении регулируемой величины регулирующий орган перемещается плавно и непрерывно до момента установления заданного значения регулируемой величины с определенной степенью точности, обусловленной видом регулятора.

Основной характеристикой регуляторов непрерывного действия является функциональная зависимость между отклонением регулируемой величины и перемещением регулирующего органа. Эта зависимость называется законом регулирования. Характеристики регуляторов непрерывного действия и переходные процессы регулирования в статическом объекте приведены на рис.1.9.

Рис.1.9. Характеристики регуляторов непрерывного действия

Пропорциональным (П-регулятором) называется регулятор, у которого перемещение регулирующего органа пропорционально отклонению регулируемой величины от ее заданного значения (Рис.1.9 б).

Уравнение регулятора имеет вид

и = к_р ∆х,

где и — регулирующее воздействие регулятора; к_р — коэффициент передачи (или коэффициент усиления) регулятора; ∆х, — отклонение регулируемой величины от заданного значения.

Значение коэффициента усиления равно перемещению регулирующего органа регулятора при отклонении регулируемой величины на единицу ее измерения. Коэффициент к_р является параметром настройки П-регулятора. Величину, обратную коэффициенту усиления регулятора, т.е. 1/к_р, называют статизмом регулятора,a величину δ_с=(1/к_р) • 100 — пределом пропорциональности, или степенью неравномерности. Значение предела пропорциональности определяют как участок шкалы измерительного прибора, выраженный в процентах длины всей шкалы, в границах которого изменение регулируемой величины вызывает перемещение регулирующего органа из одного крайнего положения в другое. Например, если предел пропорциональности составляет 80 %, то это означает, что отклонение стрелки измерительного прибора на 80 % шкалы вызовет перемещение регулирующего органа регулятора из одного крайнего положения в другое, а отклонение стрелки на 1 % шкалы вызовет перемещение регулирующего органа на ¹/ ₈₀ его полного хода. Особенность переходного процесса регулирования в системе с П-регулятором состоит в наличии остаточного отклонения (статической ошибки) δ_с в его конце.

Достоинством П-регулятора является малое время переходного процесса регулирования, т.е. быстродействие, недостатком — наличие статической ошибки.

Интегральным (И-регулятором) называется регулятор, у которого регулирующее воздействие пропорционально интегралу отклонения регулируемой величины (рис. 9 в).

Уравнение И-регулятора имеет вид

u = или T_и (dm/dt) = Dx

где Т_и — постоянная времени регулятора, равная продолжительности перемещения регулирующего органа из одного крайнего положения в другое при максимальном отклонении регулируемой величины, с; 1/Т_и — скорость перемещения регулирующего органа, пропорциональная степени отклонения регулируемой величины, с^-1.

Регулирующее воздействие И-регулятора продолжается до тех пор, пока отклонение регулируемой величины от заданного значения сведется к нулю, т.е. в конце переходного процесса регулирования величина достигает заданного значения.

В момент отключения регулирующий орган может занимать любое положение в пределах своего рабочего хода.

Параметром настройки И-регулятора является скорость перемещения регулирующего органа 1/Т_и.

Достоинство И-регуляторазаключается в отсутствии остаточного отклонения регулируемой величины в конце регулирования, недостатком — относительно малая скорость (длительность) процесса. В связи с этим рекомендуется применять И-регуляторы в объектах с большим самовыравниванием при плавных изменениях нагрузки.

Пропорционально-интегральным (ПИ-регулятором) называется регулятор, у которого регулирующее воздействие пропорционально отклонению регулируемой величины от заданного значения и интегралу по времени от этого отклонения. Действие данного регулятора можно рассматривать как совместное действие пропорционального и интегрального регуляторов (рис.9 г).

Уравнение регулятора имеет вид

где Т_и — продолжительность действия интегральной составляющей регулятора — продолжительность изодромы, с.

Регулирующее воздействие ПИ-регулятора характерно тем, что в первоначальный момент введения его при отклонении регулируемой величины от заданного значения, большое воздействие, снижающее величину отклонения за малый отрезок времени, оказывает пропорциональная составляющая. В последующем большее влияние на процесс регулирования оказывает интегральная составляющая, что обеспечивает исключение статической ошибки в конце процесса регулирования.

Степень введения пропорциональной или интегральной составляющей в ПИ-регулятор определяется соответственно величинами К_р и Т_и, которые служат параметрами настройки регулятора.

Достоинство ПИ-регулятора заключается в том, что он поддерживает заданное значение регулируемой величины при возмущениях в объекте и не имеет остаточного отклонения в конце переходного процесса регулирования.

Пропорционалыю-интегрально-дифференциальным (ПИД-регулятором) называется регулятор, у которого регулирующее воздействие пропорционально отклонению регулируемой величины от задания, интегралу и скорости этого отклонения (рис.2 д). Уравнение регулятора имеет вид

+ Т_Д [d(∆х)/dτ].

Параметрами настройки ПИД-регулятора являются параметры К_р, Т_и, Т_Д.

Из всех рассмотренных автоматических регуляторов ПИД-регулятор наиболее сложный как по принципу действия, так по устройству и наладке. ПИД-регуляторы целесообразно применять на инерционных объектах с большим запаздыванием и жесткими технологическими требованиями к процессу регулирования. И-регулятор практического применения не имеет, а входит как составляющий в структуру сложных ПИ- и ПИД-регуляторов.

Показатели качества переходного процесса регулирования

Выделяют следующие показатели качества процесса регулирования (рис.1.10):

1. Время регулирования .